TW201925836A - 光半導體裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明之目的在於獲得一種處理光之光半導體裝置，可削減零件數及製造步驟數，且可小型化。本發明之光半導體裝置(50)係具備：半導體基板(11)；光通信部，係設置於半導體基板(11)，且為接受光信號(8a、8b)的受光部(12)或發出光信號(9a、9b)的發光部(91)；層間膜(31)，係覆蓋半導體基板(11)及光通信部；菲涅耳透鏡(61)，係設置於層間膜(31)之遠離半導體基板(11)之側且經平坦化後的面，供光信號通過；以及保護膜(81)，係覆蓋菲涅耳透鏡(61)及層間膜(31)，且折射率比層間膜(31)更大，而遠離層間膜(31)之側的面經平坦化；設置有菲涅耳透鏡(61)的層間膜(31)之膜厚，係依光信號(8a、8b、9a、9b)之波長和菲涅耳透鏡(61)之焦距而調整。

Description

光半導體裝置
本發明係關於一種屬於處理光之半導體裝置的光半導體裝置的發明，該光半導體裝置係接受(接收)光的平面受光半導體裝置、發出(發送)光的平面發光半導體裝置、以及包含接受光的平面受光元件及發出光的平面發光元件等之光元件的半導體裝置等。
專利文獻1已揭示一種採用所謂混合積體電路(模組)之型態的光學式距離感測器，係於引線架安裝發光元件、位置檢測受光元件、及控制處理用積體電路，且在發光元件及位置檢測受光元件之上方分別組合有發光側透鏡及受光側透鏡。專利文獻2已揭示一種採用所謂混合積體電路(模組)之型態的光半導體元件(半導體裝置)，係在半導體基板之磊晶層形成光學元件及感測器，且在半導體基板之上方配置形成有微透鏡的蓋型基板，藉由形成於半導體基板和蓋型基板外周側的密封結構來使內部封閉。專利文獻3中已揭示一種受光模組，係將積體電路零件、光電轉換元件加熱及加壓而嵌入於形成有配線圖案的有機薄膜內，且在光電轉換元件之上方的有機薄膜表面形成有 凸透鏡。專利文獻4已揭示一種紅外線受光積體電路，係在安裝有紅外線受光元件的矽晶圓背面形成有透鏡。
[先前技術文獻] [專利文獻]
專利文獻1：日本特開2009-97872號公報(第1圖)
專利文獻2：日本特許第4984170號公報(第1圖)
專利文獻3：日本特許第4152684號公報(第3圖)
專利文獻4：日本特表2016-526155號公報
目前的半導體積體電路中，一般是伴隨使用了鋁等之金屬配線的功能電路間之信號傳輸來進行信號處理。但是，伴隨傳遞資訊量之龐大化、通信速度之高速化，使用以金屬配線傳送電信號的半導體積體電路中，消耗電力之增大，已接近信號處理速度之極限，因此，例如能夠藉由光信號進行功能電路間傳輸的光半導體裝置之實用化已成為當務之急。由於具備專利文獻1至3所揭示之發光元件或/及受光元件的習知光半導體裝置係採取混合積體電路之型態，為了聚焦發光元件或/及受光元件之光信號，除了半導體裝置以外，還必需在半導體裝置製造後安裝另外的透鏡。因此，習知的光半導體裝置會伴隨零件數之增加而增加製造步驟數，且小型化上亦有極限。
本發明係為了消除如上述之問題點而開發 完成，其目的在於獲得一種可削減零件數及製造步驟數，且可小型化之處理光的光半導體裝置。
本發明之光半導體裝置係具備：半導體基板；光通信部，係設置於半導體基板，且為接受光信號的受光部或發出光信號的發光部；層間膜，係覆蓋半導體基板及光通信部；菲涅耳透鏡(Fresnel lens)，係設置於層間膜之遠離半導體基板之側且經平坦化後的面，供光信號通過；以及保護膜，係覆蓋菲涅耳透鏡及層間膜，且折射率比層間膜更大，而遠離層間膜之側的面經平坦化；設置有菲涅耳透鏡的層間膜之膜厚，係依光信號之波長和菲涅耳透鏡之焦距而調整。
由於本發明之光半導體裝置係在覆蓋接受或發出光信號的光通信部的層間膜之經平坦化後的面設置有供光信號通過的菲涅耳透鏡，且經平坦化後的保護膜覆蓋著菲涅耳透鏡及層間膜，故可削減零件數及製造步驟數，且可小型化。
8a、8b、9a、9b、13a至13d、16、17a、17b‧‧‧光信號
11、111‧‧‧半導體基板
12、103、115、135、136、192‧‧‧受光部
14a、14b‧‧‧箭頭
15‧‧‧蝕刻離子
21、31、113‧‧‧層間膜
41、161‧‧‧光阻圖案
50‧‧‧光半導體裝置
51、52‧‧‧光收發器
53‧‧‧光發送器
54‧‧‧光接收器
61、61a、61b、171、193‧‧‧菲涅耳透鏡
62a至62d、142a至142d、172a至172d、194a至194d‧‧‧凸部
71、81‧‧‧保護膜
91、102、114、132‧‧‧發光部
101、121、131、151‧‧‧半導體基板
104、105‧‧‧積體電路
106至108‧‧‧電極部
116、117、128、129‧‧‧配線電極
118、130‧‧‧連接金屬
122‧‧‧發光部(外部系統發光部)
123‧‧‧受光部(外部系統受光部)
124、125、127‧‧‧凸塊電極
126、134‧‧‧半導體基板
133‧‧‧單側菲涅耳透鏡
143a、143b‧‧‧虛線
152‧‧‧紅外線受光部
153‧‧‧矽膜
173a、173b‧‧‧紅外線信號(光信號)
174a、174b‧‧‧太陽光
191‧‧‧太陽電池單元基板(半導體基板)
195‧‧‧外周
196‧‧‧透鏡陣列
第1圖係顯示本發明之實施形態1的光半導體裝置之剖面結構的示意圖。
第2圖係說明第1圖的光半導體裝置之晶圓製造步驟的示意圖。
第3圖係說明第1圖的光半導體裝置之晶圓製造步驟的示意圖。
第4圖係說明第1圖的光半導體裝置之晶圓製造步驟的示意圖。
第5圖係說明第1圖的光半導體裝置之晶圓製造步驟的示意圖。
第6圖係說明第1圖的光半導體裝置之晶圓製造步驟的示意圖。
第7圖係說明第1圖的光半導體裝置之晶圓製造步驟的示意圖。
第8圖係顯示第1圖的菲涅耳透鏡之上面形狀之第一例的示意圖。
第9圖係顯示第1圖的菲涅耳透鏡之上面形狀之第二例的示意圖。
第10圖係顯示第1圖的菲涅耳透鏡之上面形狀之第三例的示意圖。
第11圖係顯示本發明之實施形態2的光半導體裝置之剖面結構的示意圖。
第12圖係顯示本發明之實施形態3的光半導體裝置之剖面結構的示意圖。
第13圖係顯示本發明之實施形態4的光半導體裝置之剖面結構的示意圖。
第14圖係顯示本發明之實施形態4的另一光半導體裝置之剖面結構的示意圖。
第15圖係顯示本發明之實施形態5的光半導體裝置之剖面結構的示意圖。
第16圖係顯示本發明之實施形態5的另一光半導體裝置之剖面結構的示意圖。
第17圖係顯示本發明之實施形態6的光半導體裝置之剖面結構的示意圖。
第18圖係顯示第17圖的單側菲涅耳透鏡之上面形狀的示意圖。
第19圖係顯示本發明之實施形態6的另一光半導體裝置之剖面結構的示意圖。
第20圖係顯示本發明之實施形態7的光半導體裝置之剖面結構的示意圖。
第21圖係說明第20圖的光半導體裝置之晶圓製造步驟的示意圖。
第22圖係說明第20圖的光半導體裝置之晶圓製造步驟的示意圖。
第23圖係說明第20圖的菲涅耳透鏡之上面形狀的示意圖。
第24圖係顯示本發明之實施形態8的菲涅耳透鏡之上面形狀的示意圖。
第25圖係顯示本發明之實施形態8的透鏡陣列之上面形狀的示意圖。
第26圖係顯示本發明之實施形態8的光半導體裝置之上面的示意圖。
第27圖係顯示第26圖的光半導體裝置之剖面結構的示意圖。
在此，有關作為光之信號的光信號，係將「接收光信號」表現為「接受光信號」，將「發送光信號」表現為「發出光信號」。
[實施形態1]
以下，針對作為本發明之一實施形態的累崩光二極體(APD：avalanche photo diode)等的受光用之光半導體裝置加以說明。第1圖係顯示本發明之實施形態1的光半導體裝置之剖面結構的示意圖。第2圖至第7圖係說明第1圖的光半導體裝置之晶圓製造步驟的示意圖。第8圖至第10圖係顯示第1圖的菲涅耳透鏡之上面形狀之第一例至第三例的示意圖。實施形態1的光半導體裝置50係具備：半導體基板11；受光部12，係設置於半導體基板11，且係接受光信號8a、8b；SiO2系膜之層間膜31；菲涅耳透鏡61，係設置於層間膜31之表面；以及SiN膜之保護膜81，係覆蓋菲涅耳透鏡61。半導體基板11係由單一元素或化合物所構成的半導體基板。受光部係進行光信號之通信的光通信部中之具有接收功能的接收部。
在此說明實施形態1的光半導體裝置50之晶圓製造步驟。首先，就透鏡形成前之基板製造步驟而言，如第2圖所示，在半導體基板11形成受光部12。形成有 受光部12的半導體基板11係形成透鏡前之基板。如第3圖所示，對於已形成受光部12的半導體基板11，藉由CVD(Chemical Vapor Deposition；化學氣相沉積)法等來形成層間膜21，該層間膜21係膜厚1.0μm至5.0μm之SiO2系膜(矽系氧化膜)的層間膜。層間膜21係由於形成在下部之半導體基板11的受光部12或/及配線電極(未圖示)之厚度，而在層間膜21之表面具有凹凸。如第4圖所示，藉由CMP(Chemical Mechanical Polish；化學機械研磨)法來研磨層間膜21之表面，且對應於光信號波長來平坦化至膜厚為0.5μm至3.0μm為止。平坦化後的層間膜21之符號係標記為31。再者，第1圖至第7圖中雖顯示受光部12之表面和半導體基板11之表面為平坦之例，但亦會有受光部12之表面位在比半導體基板11之表面更高的位置(菲涅耳透鏡61之側)，或受光部12之表面位在比半導體基板11之表面更低的位置(接近半導體基板11之背面側的位置)等之情況。
接著，為了在層間膜31之表面形成菲涅耳透鏡61，利用以電子束法(EB(Electron Beam)法)之多重曝光進行的光微影技術，製作用於形成菲涅耳透鏡的光阻圖案41。光阻圖案41係配合菲涅耳透鏡61之凹部的形狀，例如以凹部較深之部分的膜厚較薄，而凹部較淺之部分的膜厚較厚的方式，形成為階梯狀。如第5圖所示，用乾蝕刻法在層間膜31形成菲涅耳透鏡61之凹部，以形成凸部62a、62b、62c、62d。第5圖係顯示菲涅耳透鏡61之凹部 的蝕刻進行途中，且顯示隨著凹部被蝕刻離子15蝕刻，凹部較深之部分用的光阻慢慢地消失，而在菲涅耳透鏡61之凸部留下光阻圖案41的狀態。
當層間膜31之蝕刻步驟結束，且除去光阻圖案41時，如第6圖所示之具備有凸部62a、62b、62c、62d的菲涅耳透鏡61會形成於層間膜31之表面。將菲涅耳透鏡61之上表面形狀顯示於第8圖至第10圖。第8圖之第一例為同心圓狀形狀，第9圖之第二例為在正方形之四角隅設置有曲率的形狀，第10圖之第三例為在長方形之四角隅設置有曲率的形狀。第一例至第三例之上面形狀，都是成為同心環狀。雖然通常是使用同心圓狀形狀的菲涅耳透鏡61，但是菲涅耳透鏡61之上面形狀係能依據受光部12之形狀而選擇第二例之形狀、第三例之形狀、及其他的形狀。光阻圖案41係配合菲涅耳透鏡61之上面形狀，而微細地形成光阻殘留寬度。用以形成第8圖至第10圖之上面形狀的光阻圖案41，係以用以形成中央之凸部62a的光阻殘留寬度比其他凸部62b、62c、62d用的光阻殘留寬度更寬，且用以形成凸部62b、62c、62d用的光阻殘留寬度慢慢地變窄的方式所形成。
如第6圖般地形成菲涅耳透鏡61之後，如第7圖所示，為了確保耐濕性，以覆蓋形成有菲涅耳透鏡61的層間膜31之方式，藉由CVD法等來形成保護膜71，該保護膜71係折射率比SiO2系膜之層間膜31更大之膜厚1.0μm至3.0μm的SiN膜(氮化矽膜)。保護膜71之表面， 由於下部之菲涅耳透鏡61的凹凸形狀而具有凹凸形狀。由於保護膜71係覆蓋屬於石英玻璃的SiO2系膜，所以亦可稱為玻璃覆膜。藉由CMP法來研磨具有凹凸形狀的保護膜71之表面，且使之平坦化至膜厚為0.5μm至1.0μm為止。將保護膜71經平坦化且完成晶圓製造步驟的光半導體裝置50顯示於第1圖。經平坦化後的保護膜71之符號係標記為81。
說明實施形態1的光半導體裝置50之作用及功效。第1圖所示的累崩光二極體(APD)等受光用的半導體裝置中，光信號8a係入射至經平坦化後的SiN膜之保護膜81，藉由形成於保護膜81之下部的SiO2系膜之層間膜31的菲涅耳透鏡61而聚焦後的光信號8b係由受光部12來接受。由於保護膜81之折射率為1.9，層間膜31之折射率為1.4，所以比起使用了習知之SiO2單層透鏡的APD，實施形態1的光半導體裝置50係能夠聚焦更廣角度的光信號。又，依光信號8a、8b之波長的不同，以層間膜31之膜厚和菲涅耳透鏡61之圖案的同心圓間隔及乾蝕刻深度來調整菲涅耳透鏡61之焦距時，實施形態1的光半導體裝置50可藉此提高受光部12之受光敏感度。又，因實施形態1的光半導體裝置50中，保護膜81係存在於最上部，故能確保足夠的耐濕性。
再者，菲涅耳透鏡61之圖案的同心圓間隔係相當於凸部62b、62c、62d之寬度。用第8圖所示的菲涅耳透鏡61之上面形狀來加以說明。中央部的圓(第一圓) 係凸部62a之外周圓(凸部62b之內周圓)，其外側的圓(第二圓)係凸部62b之外周圓(凸部62c之內周圓)，其外側的第三個圓(第三圓)係凸部62c之外周圓(凸部6d之內周圓)，最外周的第四個圓(第四圓)係凸部62d之外周圓。第8圖的菲涅耳透鏡61之圖案的第一圓與第二圓之間隔係相當於凸部62b之寬度。同樣地，第8圖的菲涅耳透鏡61之圖案中的第二圓與第三圓之間隔係相當於凸部62c之寬度，第三圓與第四圓之間隔係相當於凸部62d之寬度。
實施形態1的光半導體裝置50係不同於必需將受光用的半導體裝置和外部透鏡組裝於外部封裝件的習知APD，而在受光用的半導體裝置之晶圓製造步驟中形成菲涅耳透鏡61，所以零件數可比習知更少，且可小型化。又，由於實施形態1的光半導體裝置50係在受光用的半導體裝置之晶圓製造步驟中形成菲涅耳透鏡61，所以可省略將外部透鏡組裝於外部封裝件的步驟，而可削減製造步驟數。實施形態1的光半導體裝置50係能夠藉由削減零件數及製造步驟數而低成本化。更且，因實施形態1的光半導體裝置50係提高了受光敏感度，故亦能夠低消耗電力化。
如以上，實施形態1的光半導體裝置50係具備：半導體基板11；光通信部，係設置於半導體基板11之接受光信號8a、8b的受光部12；層間膜31，係覆蓋半導體基板11及光通信部；菲涅耳透鏡61，係供光信號8a、8b通過，設置於層間膜31之遠離半導體基板11之側且經 平坦化後的面；以及保護膜81，係覆蓋菲涅耳透鏡61及層間膜31，折射率比層間膜31更大，且遠離層間膜31之側的面經平坦化。由於實施形態1的光半導體裝置50係在覆蓋接受(或發出)光信號8a、8b之光通信部的層間膜31之經平坦化後的面設置有供光信號8a、8b通過的菲涅耳透鏡61，且以經平坦化後的保護膜81覆蓋菲涅耳透鏡61及層間膜31，所以可削減零件數及製造步驟數，且可小型化。
[實施形態2]
第11圖係顯示本發明之實施形態2的光半導體裝置之剖面結構的示意圖。實施形態2的光半導體裝置50係雷射二極體(laser diode)或發光二極體等發光用的半導體裝置之例。實施形態2的光半導體裝置50係具備：半導體基板11；發光部91，係設置於半導體基板11，發出光信號9a、9b；SiO2系膜之層間膜31；菲涅耳透鏡61，係設置於層間膜31之表面；以及SiN膜之保護膜81，係覆蓋菲涅耳透鏡61。發光部係進行光信號之通信的光通信部中之具有發送功能的發送部。實施形態2的光半導體裝置50係在以發光部91取代受光部12而形成於半導體基板11方面，與實施形態1的光半導體裝置50不同。實施形態2的光半導體裝置50之晶圓製造步驟係與實施形態1同樣。再者，在透鏡形成前之基板製造步驟中，係在半導體基板11形成發光部91。形成有發光部91的半導體基板11係透鏡形成前之基板。
說明實施形態2的光半導體裝置50之作用及功效。第11圖所示的雷射二極體或發光二極體等發光用的半導體裝置中，從發光部91所發出的光信號9a係藉由形成於SiO2系膜之層間膜31的菲涅耳透鏡61折射並通過形成於其上部的SiN膜之保護膜81朝向外部射放。保護膜81之折射率為1.9，因保護膜81之折射率係比層間膜31之折射率1.4還大，故光信號會在層間膜31與保護膜81之交界更進一步朝向中心側折射而防止光信號9a、9b之分散、減少。
實施形態2的光半導體裝置50係不同於必需將發光用的半導體裝置和外部透鏡組裝於外部封裝件的習知光半導體裝置，而在發光用的半導體裝置之晶圓製造步驟中形成菲涅耳透鏡61，所以零件數可比習知更少，且可小型化。又，由於實施形態2的光半導體裝置50係在發光用的半導體裝置之晶圓製造步驟中形成菲涅耳透鏡61，所以可省略將外部透鏡組裝於外部封裝件的步驟，而可削減製造步驟數。實施形態2的光半導體裝置50係能夠藉由削減零件數及製造步驟數而低成本化。更且，因實施形態2的光半導體裝置50可防止光信號9a、9b之分散、減少，故亦能夠低消耗電力化。
如以上，實施形態2的光半導體裝置50係具備：半導體基板11；光通信部，係設置於半導體基板11之發出光信號9a、9b的發光部91；層間膜31，係覆蓋半導體基板11及光通信部；菲涅耳透鏡61，係供光信號9a、 9b通過，設置於層間膜31之遠離半導體基板11之側且經平坦化後的面；以及保護膜81，係覆蓋菲涅耳透鏡61及層間膜31，折射率比層間膜31更大，且遠離層間膜31之側的面經平坦化。由於實施形態2的光半導體裝置50係在覆蓋發出光信號9a、9b之光通信部的層間膜31之經平坦化後的面設置有供光信號9a、9b通過的菲涅耳透鏡61，且以經平坦化後的保護膜81覆蓋菲涅耳透鏡61及層間膜31，所以可削減零件數及製造步驟數，且可小型化。
[實施形態3]
第12圖係顯示本發明之實施形態3的光半導體裝置之剖面結構的示意圖。實施形態3的光半導體裝置50係具備有積體電路、發光部、受光部的光感測器等高功能的光半導體裝置之例。實施形態3的光半導體裝置50係具備：半導體基板101，係形成有信號處理電路等的積體電路104、及電源電路等的積體電路105；發光部102，係設置(形成或安裝)於半導體基板101，發出光信號9a、9b；受光部103，係設置(形成或安裝)於半導體基板101，接受光信號8a、8b；SiO2系膜之層間膜31；菲涅耳透鏡61a、61b，係設置於層間膜31之表面；以及SiN膜之保護膜81，係覆蓋菲涅耳透鏡61a、61b。發光部102係雷射二極體或發光二極體等的平面發光結構部。受光部103係累崩光二極體(APD)等的平面受光結構部。菲涅耳透鏡61a係形成於受光部103之上部，亦即層間膜31之表面(與半導體基板101 為相反側的面)的受光用的菲涅耳透鏡。菲涅耳透鏡61b係形成於發光部102之上部，亦即層間膜31之表面(與半導體基板101為相反側的面)的發光用的菲涅耳透鏡。菲涅耳透鏡之符號係總括性地使用61，在區別的情況下則使用61a、61b。積體電路104係可將受光部103所接受的光信號8a、8b轉換成電信號以進行信號處理，並可產生成為藉由發光部102發出的光信號9a、9b之基礎的電信號。
實施形態3的光半導體裝置50係在受光部103與發光部102、積體電路104、105一起形成於半導體基板101方面，與實施形態1的光半導體裝置50不同。實施形態3的光半導體裝置50之晶圓製造步驟中之經平坦化後的層間膜31、菲涅耳透鏡61、經平坦化後的保護膜81之製造步驟，係與實施形態1同樣。在透鏡形成前之基板製造步驟中，係將積體電路104、105形成於半導體基板101，之後將發光部102及受光部103形成或安裝於半導體基板101。形成有積體電路104、105且形成或安裝有發光部102及受光部103的半導體基板11係透鏡形成前之基板。在將發光部102及受光部103安裝於半導體基板101的情況下，係將已形成為晶片狀的平面發光結構部及平面受光結構部安裝於半導體基板101。再者，積體電路104、105例如是形成於紙面的深入側，所以以虛線框來顯示。
說明實施形態3的光半導體裝置50之作用及功效。第12圖所示之從雷射二極體或發光二極體等之平面發光結構部的發光部102所發出的光信號9a係藉由形成 於SiO2系膜之層間膜31的菲涅耳透鏡61b折射並通過形成於其上部的SiN膜之保護膜81而朝向外部射放。保護膜81之折射率為1.9，因保護膜81之折射率係比層間膜31之折射率1.4還大，故光信號會在層間膜31與保護膜81之交界更進一步朝向中心側折射而防止光信號9a、9b之分散、減少。
從發光部102所發出的光信號9b係碰撞到障礙物或門等的對象物而反射。此反射後的光信號係成為光信號8a而入射至光半導體裝置50。光信號8a係入射至經平坦化後的SiN膜之保護膜81，藉由形成於保護膜81之下部的SiO2系膜之層間膜31的菲涅耳透鏡61a所聚焦後的光信號8b，係由形成或安裝於半導體基板101上的累崩光二極體(APD)等之平面受光結構部的受光部103所接受。由於保護膜81之折射率為1.9，層間膜31之折射率為1.4，所以比起使用了習知之SiO2單層透鏡的APD，實施形態3的光半導體裝置50係能夠聚焦更廣角度的光信號，而可提高受光部103的受光敏感度。從而，即便光信號8a、8b微弱，實施形態3的光半導體裝置50仍可偵測出。
所接受到的光信號8b係藉由形成於半導體基板101的信號處理電路等之積體電路104進行類比或數位信號處理，藉由積體電路104算出對象物之存在、距離、位置，並且將對象物之存在、距離、位置傳遞至光半導體裝置50之外部的其他控制系統。又，依光信號8a、8b、 9a、9b之波長的不同，以SiO2系膜之層間膜31的膜厚和菲涅耳透鏡61a、61b之圖案的同心圓間隔及乾蝕刻深度來調整菲涅耳透鏡61a、61b之焦距。又，因實施形態3的光半導體裝置50中，保護膜81係存在於最上部，故能確保足夠的耐濕性。
實施形態3的光半導體裝置50係不同於必需採用將具備平面發光元件、平面受光元件的半導體裝置和外部透鏡組裝於外部封裝件的模組之形態的習知光半導體裝置，而是在同一半導體基板101上形成或安裝發光部102和受光部103，且形成積體電路104、105，且在光半導體裝置之晶圓製造步驟中形成菲涅耳透鏡61，所以零件數可比習知更少，且可小型化。由於實施形態3的光半導體裝置50係在光半導體裝置之晶圓製造步驟中形成菲涅耳透鏡61，所以可省略將外部透鏡組裝於外部封裝件的步驟，而可削減製造步驟數，且可簡化製造步驟。實施形態3的光半導體裝置50係能夠藉由削減零件數及製造步驟數而低成本化。因即便光信號8a、8b微弱，實施形態3的光半導體裝置50仍可偵測出，而提高受光部103之受光敏感度，故亦能夠低消耗電力化。藉由構成如實施形態3的光半導體裝置50，能夠比習知更簡化製造步驟且小型化、低成本化，更且，藉由防止從發光部102所發出的光信號9a、9b之分散、減少，可獲得亦能夠高敏感度化、低消耗電力化的光感測器等之高功能的光半導體裝置。
[實施形態4]
第13圖係顯示本發明之實施形態4的光半導體裝置之剖面結構的示意圖。實施形態4的光半導體裝置50係具備二個具有積體電路、發光部、受光部的實施形態3之高功能的光半導體裝置，且相互地藉由發光部、受光部來收發(通信)光信號的光半導體裝置之例。實施形態4的光半導體裝置50係具備二個光收發器51、52，且藉由有機系或無機系材質之層間膜113貼合光收發器51、52所成的光半導體裝置。光收發器51係具備：半導體基板111，係形成有信號處理電路等的積體電路104及電源電路等的積體電路105；發光部102，係設置(形成或安裝)於半導體基板111，發出光信號13a；受光部103，係設置(形成或安裝)於半導體基板111，接受光信號13b；SiO2系膜之層間膜31；菲涅耳透鏡61a、61b，係設置於層間膜31之表面；以及SiN膜之保護膜81，係覆蓋菲涅耳透鏡61a、61b。發光部102係與實施形態3同樣，為雷射二極體或發光二極體等的平面發光結構部。受光部103係與實施形態3同樣，為累崩光二極體(APD)等的平面受光結構部。光收發器51之菲涅耳透鏡61a係形成於從受光部103朝向垂直方向遠離的遠方部，亦即層間膜31之表面(與半導體基板111為相反側的面)的受光用的菲涅耳透鏡。光收發器51之菲涅耳透鏡61b係形成於從發光部102朝向垂直方向遠離的遠方部，亦即層間膜31之表面(與半導體基板111為相反側的面)的發光用的菲涅耳透鏡。
光收發器52係具備：半導體基板112，係形成有信號處理電路等的積體電路104、及電源電路等的積體電路105；發光部114，係設置(形成或安裝)於半導體基板112，發出光信號13b；受光部115，係設置(形成或安裝)於半導體基板112，接受光信號13a；SiO2系膜之層間膜31；菲涅耳透鏡61a、61b，係設置於層間膜31之表面；以及SiN膜之保護膜81，係覆蓋菲涅耳透鏡61a、61b。發光部114係與實施形態3同樣，為雷射二極體或發光二極體等的平面發光結構部。受光部115係與實施形態3同樣，為累崩光二極體(APD)等的平面受光結構部。光收發器52之發光部114、受光部115係配置成分別與光收發器51之受光部103、發光部102相對向。光收發器52之菲涅耳透鏡61a係形成於從受光部115朝向垂直方向遠離的遠方部，亦即層間膜31之表面(與半導體基板112為相反側的面)的受光用的菲涅耳透鏡。光收發器52之菲涅耳透鏡61b係形成於從發光部114朝向垂直方向遠離的遠方部，亦即層間膜31之表面(與半導體基板112為相反側的面)的發光用的菲涅耳透鏡。
第13圖中係顯示藉由有機系或無機系材質之層間膜113貼合二個光收發器51、52所成的光半導體裝置50之例。但是，由於光收發器51、52之從半導體基板111、112朝向垂直方向遠離的最遠方之表面為經平坦化後的保護膜81，所以亦可如第14圖所示地將光收發器51和光收發器52藉由凡得瓦力(Van der Waals force)直接密接 貼合。第14圖係顯示本發明之實施形態4的另一光半導體裝置之剖面結構的示意圖。第14圖所示的另一光半導體裝置50係在沒有層間膜113，且光收發器51和光收發器52藉由凡得瓦力直接密接貼合方面，與第13圖所示的光半導體裝置50不同。
說明實施形態4的光半導體裝置50之作用及功效。第13圖所示之從雷射二極體或發光二極體等之平面發光結構部的發光部102所發出的光信號13a係藉由形成於SiO2系膜之層間膜31的菲涅耳透鏡61b所折射並通過形成於其行進方向之遠方部的SiN膜之保護膜81。保護膜81之折射率為1.9，因保護膜81之折射率係比層間膜31之折射率1.4還大，故光信號會在層間膜31與保護膜81之交界更進一步朝向中心側折射而防止光信號13a之分散、減少。
從發光部102所發出的光信號13a係通過有機系或無機系材質之層間膜113而由形成或安裝於光收發器52之半導體基板112的累崩光二極體(APD)等之平面受光結構部的受光部115所接受。入射至光收發器52的光信號13a，首先入射至經平坦化後的SiN膜之保護膜81，藉由形成於比保護膜81更靠半導體基板112之側的SiO2系膜之層間膜31的菲涅耳透鏡61a聚焦而由受光部115所接受。由於保護膜81之折射率為1.9，層間膜31之折射率為1.4，所以比起使用了習知之SiO2單層透鏡的APD，光收發器52之受光部115係能夠聚焦更廣角度的光信號，而 可提高受光部115的受光敏感度。從而，即便光信號13a微弱，光收發器52之受光部115仍可偵測出。
由光收發器52之受光部115所接受的光信號13a係藉由形成於半導體基板112的信號處理電路等之積體電路104進行類比或數位信號處理，而從發光部114以光信號13b來發送。從光收發器52之發光部114所發出的光信號13b係與光信號13a為相反方向，通過形成於SiO2系膜之層間膜31的菲涅耳透鏡61b、SiN膜之保護膜81、有機系或無機系材質之層間膜113，藉由光收發器51的SiN膜之保護膜81、形成於SiO2系膜之層間膜31的菲涅耳透鏡61a聚焦而由受光部103所接收。
因實施形態4的光半導體裝置50係以最短行程來進行兩個光收發器51、52間的光通信，故光信號13a、13b之輸出可抑制在最小限度。又，實施形態4的光半導體裝置50中，依光信號13a、13b之波長及行程的不同，以SiO2系膜之層間膜31的膜厚和菲涅耳透鏡61a、61b之圖案的同心圓間隔及乾蝕刻深度，將菲涅耳透鏡61a、61b之焦距調整為最佳。又，因實施形態4的光半導體裝置50中，保護膜81係存在於光收發器51、52之從半導體基板111、112朝向垂直方向遠離的遠方部，亦即層間膜31之表面(與半導體基板111、112為相反側的面)，故能確保足夠的耐濕性。
如前面所述般，半導體積體電路中，一般是伴隨使用了鋁等之金屬配線的功能電路間之信號傳輸來 進行信號處理。即便是屬於處理光之半導體裝置的光半導體裝置，形成有半導體積體電路的習知光半導體裝置與包含光半導體裝置的其他半導體裝置之通信，仍以亦使用金屬配線的電信號來進行。使用金屬配線之以電信號進行的通信係有發熱、通信速度限度的問題，必需改善以光信號來進行通信的光半導體裝置之發熱抑制、通信速度。在光半導體裝置間實施光通信的情況下，會有光波路徑、光纖等零件數之增大和平面的面積之增加的問題。
相對於此，因實施形態4的光半導體裝置50係使二種半導體裝置例如光收發器51、52貼合，並於雙方之通信使用光信號，故能夠削減大幅的零件數和縮小面積。由於光收發器51、52係分別在從發送光信號的發光部102、114、以及接收光信號的受光部103、115中之所對應的半導體基板111、112朝向垂直方向遠離的遠方側以晶圓製程來形成菲涅耳透鏡61a、61b，所以能夠達成作為光半導體裝置的光收發器51、52的小型化、低消耗電力化、低成本化。更且，使二種半導體裝置例如光收發器51、52貼合所成之實施形態4的光半導體裝置50亦能夠小型化、低消耗電力化、低成本化。
由於實施形態4的光半導體裝置50係具備相互地進行光通信的光收發器51、52，光收發器52之發光部114、受光部115係配置成分別與光收發器51之受光部103、發光部102相對向，所以可比習知更抑制發熱，且可提高通信速度。又，由於實施形態4的光半導體裝置 50中，各自之光收發器51、52係具備以晶圓製造步驟一體地形成的發光部、受光部、及菲涅耳透鏡，所以可削減各光收發器51、52之零件數及製造步驟數，可達成各光收發器51、52之小型化、低成本化，並且整體可小型化、低成本化。
[實施形態5]
第15圖係顯示本發明之實施形態5的光半導體裝置之剖面結構的示意圖。實施形態5的光半導體裝置50係具備二個具有積體電路、發光部、受光部之高功能的光半導體裝置，且相互地藉由發光部、受光部來收發(通信)光信號的光半導體裝置之例。實施形態5的光半導體裝置50係具備光收發器51及光收發器52，且藉由有機系或無機系材質之層間膜113貼合光收發器51、52所成的光半導體裝置，該光收發器51係具備與積體電路、發光部、受光部並且與外部系統電性連接的電性連接構成、以及與外部系統進行光通信的光通信構成(外部系統光通信部)，該光收發器52係具備與積體電路、發光部、受光部並且與光收發器51電性連接的電性連接構成。
光收發器51係具備：半導體基板121，係形成有信號處理電路等的積體電路104、電源電路等的積體電路105；發光部102，係設置(形成或安裝)於半導體基板121，發出光信號13a；受光部103，係設置(形成或安裝)於半導體基板121，接受光信號13b；發光部122，係 設置(形成或安裝)於半導體基板121，且從光收發器51對外部系統發送(發出)光信號13c；受光部123，係設置(形成或安裝)於半導體基板121，且接收(接受)從外部系統發送(發出)至光收發器51的光信號13d；電極部106，係與和光收發器51相對向的光收發器52電性連接；電極部107，係與外部系統電性連接；SiO2系膜之層間膜31；菲涅耳透鏡61a、61b，係設置於層間膜31之表面；以及SiN膜之保護膜81，係覆蓋菲涅耳透鏡61a、61b。發光部102、122係與實施形態3同樣，為雷射二極體或發光二極體等的平面發光結構部。受光部103、123係與實施形態3同樣，為累崩光二極體(APD)等的平面受光結構部。光收發器51之二個菲涅耳透鏡61a係形成於從受光部103、123朝向垂直方向遠離的遠方部，亦即層間膜31之表面(與半導體基板121為相反側的面)的受光用的菲涅耳透鏡。光收發器51之二個菲涅耳透鏡61b係形成於從發光部102、122朝向垂直方向遠離的遠方部，亦即層間膜31之表面(與半導體基板121為相反側的面)的發光用的菲涅耳透鏡。發光部122係與外部系統進行光信號之通信的外部系統光通信部中之具有發送功能的發送部。受光部123係與外部系統進行光信號之通信的外部系統光通信部中之具有接收功能的接收部。與外部系統通信的發光部亦可稱為外部系統發光部，與外部系統通信的受光部亦可稱為外部系統受光部。
電極部106係具備：配線電極116，係配置於半導體基板121；配線電極117，係配置於層間膜31之 表面側；連接金屬118，係連接配線電極116和配線電極117；以及凸塊電極124，係配置成連接於配線電極117且從保護膜81露出。電極部107係與電極部106為同樣的結構，具備：配線電極116，係配置於半導體基板121；配線電極117，係配置於層間膜31之表面側；連接金屬118，係連接配線電極116和配線電極117；以及凸塊電極125，係配置成連接於配線電極117且從保護膜81露出。電極部106係與光收發器52之電極部108連接，對於光收發器51之電源供給用、無關於光收發器52之光通信的信號處理用的電極部。電極部107係外部系統與光收發器51之間的電源供給用、信號處理用的電極部。再者，雖然電源供給用的電極部和信號處理用的電極部為個別的電極部，但第15圖中僅顯示一個電極部106和一個電極部107。
光收發器52係具備：半導體基板126，係形成有信號處理電路等的積體電路104；發光部114，係設置(形成或安裝)於半導體基板126，發出光信號13b；受光部115，係設置(形成或安裝)於半導體基板126，接受光信號13a；電極部108，係與和光收發器52相對向的光收發器51電性連接；SiO2系膜之層間膜31；菲涅耳透鏡61a、61b，係設置於層間膜31之表面；以及SiN膜之保護膜81，係覆蓋菲涅耳透鏡61a、61b。發光部114係與實施形態3同樣，為雷射二極體或發光二極體等的平面發光結構部。受光部115係與實施形態3同樣，為累崩光二極體(APD)等的平面受光結構部。光收發器52之發光部114、受光部 115係配置成分別與光收發器51之受光部103、發光部102相對向。光收發器52之菲涅耳透鏡61a係形成於從受光部115朝向垂直方向遠離的遠方部，亦即層間膜31之表面(與半導體基板126為相反側的面)的受光用的菲涅耳透鏡。光收發器52之菲涅耳透鏡61b係形成於從發光部114朝向垂直方向遠離的遠方部，亦即層間膜31之表面(與半導體基板126為相反側的面)的發光用的菲涅耳透鏡。
電極部108係具備：配線電極128，係配置於半導體基板126；配線電極129，係配置於層間膜31之表面側；連接金屬130，係連接配線電極128和配線電極129；以及凸塊電極127，係配置成連接於配線電極129且從保護膜81露出。電極部108係與光收發器51之電極部106連接，來自光收發器51之電源供給用、無關於光收發器51之光通信的信號處理用的電極部。再者，雖然電源供給用的電極部和信號處理用的電極部為個別的電極部，但第15圖中僅顯示一個電極部108。
第15圖係顯示藉由有機系或無機系材質之層間膜113貼合二個光收發器51、52所成的光半導體裝置50之例。但是，由於光收發器51、52之從半導體基板121、126朝向垂直方向遠離的最遠方之表面為經平坦化後的保護膜81，所以亦可如第16圖所示地使光收發器51和光收發器52藉由凡得瓦力而直接密接貼合。第16圖係顯示本發明之實施形態5的另一光半導體裝置之剖面結構的示意圖。第16圖所示的另一光半導體裝置50係在沒有層間膜 13，且光收發器51和光收發器52藉由凡得瓦力而直接密接貼合方面，與第15圖所示的光半導體裝置50不同。
針對實施形態5的光半導體裝置50之作用及功效加以說明。實施形態5的光半導體裝置50係在二個光收發器51、52間進行光通信的實施形態4之光半導體裝置50追加了與外部系統電性連接的電性連接構成，以及與外部系統進行光通信的光通信構成(外部系統光通信部)。與實施形態4的光半導體裝置50同樣，從雷射二極體或發光二極體等之平面發光結構部的發光部102所發出的光信號13a係藉由形成於SiO2系膜之層間膜31的菲涅耳透鏡61b所折射並通過形成於其行進方向之遠方部的SiN膜之保護膜81。保護膜81之折射率為1.9，因保護膜81之折射率係比層間膜31之折射率1.4還大，故光信號會在層間膜31與保護膜81之交界更進一步朝向中心側折射而防止光信號13a之分散、減少。
從發光部102所發出的光信號13a係通過有機系或無機系材質之層間膜113而由形成或安裝於光收發器52之半導體基板126的累崩光二極體(APD)等之平面受光結構部的受光部115所接受。入射至光收發器52的光信號13a，首先入射至經平坦化後的SiN膜之保護膜81，藉由形成於比保護膜81更靠半導體基板126之側的SiO2系膜之層間膜31的菲涅耳透鏡61a聚焦而由受光部115所接受。由於保護膜81之折射率為1.9，層間膜31之折射率為1.4，所以比起使用了習知之SiO2單層透鏡的APD，光 收發器52之受光部115係能夠聚焦更廣角度的光信號，而可提高受光部115的受光敏感度。從而，即便光信號13a微弱，光收發器52之受光部115仍可偵測出。
由光收發器52之受光部115所接受的光信號13a係藉由形成於半導體基板126的信號處理電路等之積體電路104進行類比或數位信號處理，而從發光部114以光信號13b來發送。從光收發器52之發光部114所發出的光信號13b係與光信號13a為相反方向，通過形成於SiO2系膜之層間膜31的菲涅耳透鏡61b、SiN膜之保護膜81、有機系或無機系材質之層間膜113，藉由光收發器51的SiN膜之保護膜81、形成於SiO2系膜之層間膜31的菲涅耳透鏡61a聚焦而由受光部103所接收。
因實施形態5的光半導體裝置50係以最短行程來進行兩個光收發器51、52間的光通信，故光信號13a、13b之輸出可抑制在最小限度。又，實施形態5的光半導體裝置50中依光信號13a、13b之波長及行程的不同，以SiO2系膜之層間膜31的膜厚和菲涅耳透鏡61a、61b之圖案的同心圓間隔及乾蝕刻深度，將菲涅耳透鏡61a、61b之焦距調整為最佳。又，因實施形態5的光半導體裝置50中，保護膜81係存在於光收發器51、52之從半導體基板121、126朝向垂直方向遠離的遠方部，亦即層間膜31之表面(與半導體基板121、126為相反側的面)，故能確保足夠的耐濕性。
在光收發器51形成電極部107，以進行來 自外部系統之電源供給和與外部系統之電信號傳輸。形成於光收發器51的電極部106係與形成於光收發器52的電極部108連接。從電源供給用的電極部106經由電極部108對光收發器52供給電源電壓及電源電流。在電信號傳輸用的電極部106與電信號傳輸用的電極部107之間，傳輸無關於光通信的信號。
實施形態5的光半導體裝置50係從形成或安裝於光收發器51之半導體基板121的發光部122朝向外部系統例如箭頭14a之方向發送光信號13c，且用形成或安裝於光收發器51之半導體基板121的受光部123從外部系統接收例如來自箭頭14b之方向的光信號13d。如此，實施形態5的光半導體裝置50亦能夠進行與外部系統之光通信。
實施形態5的光半導體裝置50除了實施形態4的光半導體裝置50之功效以外，還可與外部系統進行以電信號及光信號所為的通信。由於實施形態5的光半導體裝置50可與外部系統進行以電信號及光信號所為的通信，所以相較於處理多數個光信號的光半導體裝置、不處理光信號的半導體裝置、以及將零件模組化的習知之光學模組，還可進一步地小型化，且可對應於傳遞資訊量之增大化、通信速度之高速化。又，由於實施形態5的光半導體裝置50係可小型化且可對應於傳遞資訊量之增大化、通信速度之高速化，所以可將外部系統小型化、低消耗電力化、低成本化。
[實施形態6]
第17圖係顯示本發明之實施形態6的光半導體裝置之剖面結構的示意圖，第18圖係顯示第17圖的單側菲涅耳透鏡之上面形狀的示意圖。實施形態6的光半導體裝置50係具備有光發送器及光接收器的光半導體裝置之例，該光發送器係具備有發出複數個波長的發光部，該光接收器係具備有與從光發送器所發出之波長相應的複數個受光部。實施形態6的光半導體裝置50係具備光發送器53、光接收器54，且藉由有機系或無機系材質之層間膜113貼合光發送器53、光接收器54所成的光半導體裝置。光發送器53係具備：半導體基板131，係形成有信號處理電路等的積體電路104、電源電路等的積體電路105；發光部132，係設置(形成或安裝)於半導體基板131，同時或區隔時間地發出包含複數個波長之光信號的光信號16；SiO2系膜之層間膜31；以及SiN膜之保護膜81，係覆蓋設置於層間膜31之表面的單側菲涅耳透鏡133。發光部132係同時或區隔時間地發出複數個波長之光信號的雷射二極體等的平面發光結構部。光發送器53之單側菲涅耳透鏡133係形成於從發光部132朝向垂直方向遠離的遠方部，亦即層間膜31之表面(與半導體基板131為相反側的面)的發光用的菲涅耳透鏡。
單側菲涅耳透鏡133係在虛線143a與虛線143b之間具備四個凸部142a、142b、142c、142d。凸部 142a、142b、142c、142d係分別相當於第6圖之菲涅耳透鏡61中的凸部62a、62b、62c、62d之非呈環狀而是截取一部分的形狀，例如第18圖般地成為狹縫狀之形狀。鄰接的凸部之交界成為最大的段差，各凸部係越朝向第18圖之左側，越和緩地朝上側(從半導體基板131朝向垂直方向遠離的遠方側)突出。換言之，由各凸部所夾的凹部係分別於第18圖之右側成為最陡急，而越朝向第18圖之左側越和緩地變淺。
光接收器54係具備：半導體基板134，係形成有信號處理電路等的積體電路104、電源電路等的積體電路105；受光部135，係設置(形成或安裝)於半導體基板134，接受短波長之光信號17a；受光部136，係設置(形成或安裝)於半導體基板134，接受長波長之光信號17b；以及SiO2系膜之層間膜31。受光部135、136係累崩光二極體等的平面受光結構部。
光發送器53之製造步驟係與實施形態1所示的製造步驟同樣。單側菲涅耳透鏡133之製造步驟係以光阻圖案之上面形狀為配合第18圖的單側菲涅耳透鏡133之上面形狀所成的形狀，且光阻圖案之剖面形狀為從第5圖的光阻圖案41之凸部62a(參照第6圖)之中央至右側的形狀之方式來形成。光接收器54之製造步驟係與實施形態1所示的製造步驟中的層間膜31之平坦化為止的製造步驟同樣。
第17圖係顯示藉由有機系或無機系材質之 層間膜113貼合光發送器53、光接收器54所成的光半導體裝置50之例。但是，由於光發送器53之從半導體基板131朝向垂直方向遠離的最遠方之表面為經平坦化後的保護膜81，且光接收器54之從半導體基板134朝向垂直方向遠離的最遠方之表面為經平坦化後的層間膜31，所以亦可如第19圖所示地使光發送器53和光接收器54藉由凡得瓦力而直接密接貼合。第19圖係顯示本發明之實施形態6的另一光半導體裝置之剖面結構的示意圖。第19圖所示的另一光半導體裝置50係在沒有層間膜113，且光發送器53和光接收器54藉由凡得瓦力而直接密接貼合方面，與第17圖所示的光半導體裝置50不同。再者，第17圖、第19圖所示之例中，顯示了二個波長之事例，但是亦能夠藉由增加受光部之數目而應用於複數個波長之情況。
說明實施形態6的光半導體裝置50之作用及功效。以雷射二極體等之平面發光結構部的發光部132發出包含二個波長之光信號17a、17b的光信號16的情況下，如第17圖、第19圖所示，光信號17a、17b係藉由形成於SiO2系膜之層間膜31的單側菲涅耳透鏡133之分光效應，以相應於波長的角度來折射，且通過形成於其行進方向之遠方部的SiN膜之保護膜81。保護膜81之折射率為1.9，因保護膜81之折射率係比層間膜31之折射率1.4還大，故光信號會在層間膜31與保護膜81之交界更進一步朝向單側菲涅耳透鏡133之中心側(虛線143a側)折射而可擴大二個波長之光信號17a、17b的分離角度。
依波長的不同而分離出的光信號17a、17b係入射至相對向的光接收器54，短波長之光信號17a係由受光部135所接受，長波長之光信號17b係由受光部136所接受。在半導體基板134進行類比或數位信號處理。由受光部135、136所接受的各波長之光信號17a、17b係藉由形成於半導體基板134的信號處理電路等之積體電路104進行類比、或數位信號處理，電性地或光學性地發送至外部系統。再者，將經處理後的信號電性地發送至外部系統時，係從配置於光接收器54之未圖示的電極部107(參照第15圖)發送。將經處理後的信號光學性地發送至外部系統時，係從形成或安裝於半導體基板134之未圖示的發光部122(參照第15圖)發送。
因實施形態6的光半導體裝置50係以最短行程來進行光發送器53與光接收器54之間的光通信，故光信號17a、17b之輸出可抑制在最小限度。又，實施形態6的光半導體裝置50中，依光信號17a、17b之波長及行程的不同，以SiO2系膜之層間膜31的膜厚和單側菲涅耳透鏡133之圖案的凸部間隔及乾蝕刻深度，將單側菲涅耳透鏡133之焦距調整為最佳。又，因實施形態6的光半導體裝置50中，保護膜81係存在於光發送器53之從半導體基板131朝向垂直方向遠離的遠方部，亦即層間膜31之表面(與半導體基板131為相反側的面)，故能確保光發送器53的耐濕性。又，實施形態6的光半導體裝置50中，由於光接收器54之從半導體基板134朝向垂直方向遠離的遠 方部，亦即層間膜31之表面(與半導體基板134為相反側的面)，係隔著有機系或無機系材質之層間膜113而由光發送器53之保護膜81所覆蓋，或直接由光發送器53之保護膜81所覆蓋，所以能確保光接收器54的耐濕性。
實施形態6的光半導體裝置50係將從光發送器53之發光部132所發出之包含複數個波長的光信號16，藉由形成於層間膜31的單側菲涅耳透鏡133來分光，且以光接收器54之相應於波長的受光部135、136接受而進行信號處理，藉此，由於光信號之通信通道依波長之數目而倍增成複數倍，所以會增加通信速度。又，由於實施形態6的光半導體裝置50中，光信號之通信通道依波長之數目而倍增成複數倍，所以能夠比習知更小型化、低成本化。更且，因實施形態6的光半導體裝置50係可防止光信號16、17a、17b之分散、減少，故亦能夠低消耗電力化。
因實施形態6的光半導體裝置50係與實施形態4同樣，使二種半導體裝置的光發送器53、光接收器54貼合，並在光發送器53對於光接收器54之通信中使用光信號，故能夠削減大幅的零件數和縮小面積。由於以晶圓製程(晶圓製造步驟)在光發送器53之發出光信號的發光部132的從半導體基板131朝向垂直方向遠離的遠方側形成單側菲涅耳透鏡133，所以能夠獲得光半導體裝置的光發送器53之小型化、低消耗電力化、低成本化。又，由於光接收器54中，接收光信號的受光部135、136的從半導體基板134朝向垂直方向遠離之遠方側的層間膜31之表面 (與半導體基板134為相反側的面)未形成有透鏡，所以能夠獲得光半導體裝置的光接收器54之小型化、低消耗電力化、低成本化。更且，使二種半導體裝置的光發送器53、光接收器54貼合所成之實施形態6的光半導體裝置50亦能夠小型化、低消耗電力化、低成本化。
[實施形態7]
第20圖係顯示本發明之實施形態7的光半導體裝置之剖面結構的示意圖。第21圖、第22圖係說明第20圖的光半導體裝置之晶圓製造步驟的示意圖。第23圖係說明第20圖的菲涅耳透鏡之上面形狀的示意圖。實施形態7的光半導體裝置50係具備有積體電路、紅外線受光部、菲涅耳透鏡的紅外線感測器等之高功能的光半導體裝置之例。實施形態7的光半導體裝置50係具備：半導體基板151，係形成有信號處理等的積體電路104、電源電路等的積體電路105；紅外線受光部152，係形成於半導體基板151上；SiO2系膜之層間膜31；多晶矽或非晶矽膜之菲涅耳透鏡171，係設置於層間膜31之表面；以及SiN膜之保護膜81，係覆蓋菲涅耳透鏡171。紅外線受光部152係接受紅外線的平面受光結構部。接受紅外線信號的紅外線受光部係接受紅外線之光信號的受光部。
說明實施形態7的光半導體裝置50之晶圓製造步驟。如第21圖所示，在形成有信號處理等的積體電路104、電源電路等的積體電路105的半導體基板151之 上形成紅外線受光部152。形成有積體電路104、105、紅外線受光部152的半導體基板151係透鏡形成前之基板。之後，如實施形態1所說明般地，形成平坦化的SiO2系膜之層間膜31，且在此層間膜31之表面形成將成為菲涅耳透鏡171之材料的多晶矽或非晶矽的矽膜153。矽膜153之膜厚為0.1μm至1.0μm。
其次，如第22圖所示，為了在矽膜153之表面形成菲涅耳透鏡171，利用以電子束法(EB法)之多重曝光進行的光微影技術，製作用於形成菲涅耳透鏡的光阻圖案161。光阻圖案161係以留下凸部172a、172b、172c、172d的方式配置。又，光阻圖案161係配合鄰接的凸部間之凹部的形狀，例如以凸部之高度較低之部分的膜厚較薄，而凸部之高度較高之部分的膜厚較厚的方式，形成為階梯狀。又，光阻圖案161係以菲涅耳透鏡171之區域外的矽膜153被除去的方式配置。如第22圖所示，用乾蝕刻法形成凸部172a、172b、172c、172d。第22圖係顯示菲涅耳透鏡171之凹部的蝕刻進行中途，且顯示隨著藉由蝕刻離子15蝕刻凸部，凸部之高度較低之部分用的光阻慢慢地消失，而在菲涅耳透鏡171之凸部留下光阻圖案161的狀態。
菲涅耳透鏡171之上面形狀，例如是如第23圖所示的同心圓狀形狀。菲涅耳透鏡171之上面形狀，通常使用如第23圖所示的同心圓狀形狀。又，菲涅耳透鏡171之上面形狀係與第9圖、第10圖同樣地，亦可為在正 方形之四角隅設置有曲率的形狀、在長方形之四角隅設置有曲率的形狀，亦可為其他的形狀。依據紅外線受光部152之形狀來選擇菲涅耳透鏡171之形狀。光阻圖案161係能配合菲涅耳透鏡171之上面形狀，微細地形成光阻殘留寬度。用以形成第23圖之上面形狀的光阻圖案161，係以用以形成中央之凸部172a的光阻殘留寬度成為比其他凸部172b、172c、172d用的光阻殘留寬度更寬，且用以形成凸部172b、172c、172d的光阻殘留寬度慢慢地變窄的方式所形成。
在菲涅耳透鏡171之蝕刻步驟結束，且除去光阻圖案161之後，為了確保耐濕性，以覆蓋菲涅耳透鏡171及層間膜31之方式，藉由CVD法等來形成折射率比SiO2系膜之層間膜31更大之膜厚1.0μm至3.0μm之SiN膜的保護膜81，並且平坦化。再者，雖然已說明菲涅耳透鏡171係如多晶矽、非晶矽膜般地使用矽元素之例，但亦可使用由鍺元素或是鍺與矽之化合物所構成的材料。
說明實施形態7的光半導體裝置50之作用及功效。波長λ為1.1μm至1.5μm的紅外線信號173a係入射至經平坦化後的SiN膜之保護膜81，而藉由形成於保護膜81之下部的SiO2系膜之層間膜31之表面的菲涅耳透鏡171聚焦後的紅外線信號173b則由紅外線受光部152所接受。由於保護膜81之折射率為1.9，層間膜31之折射率為1.4，所以實施形態7的光半導體裝置50係能夠聚焦廣角度的紅外線信號，藉此亦可偵測微弱的信號。又， 由於實施形態7的光半導體裝置50中，波長λ為1.1μm至1.5μm以外之不必要的紅外線信號會由菲涅耳透鏡171反射或吸收，所以不必要的紅外線信號不會由紅外線受光部152所接受，而能提高特定波長，亦即波長λ為1.1μm至1.5μm的紅外線信號173b之受光敏感度。
所接受到的紅外線信號173b係藉由形成於半導體基板151之信號處理電路等的積體電路104進行類比或數位信號處理，算出紅外線發光對象物之存在、距離、位置，並且將對象物之存在、距離、位置傳遞至光半導體裝置50之外部的其他控制系統。又，依紅外線信號173a、173b之波長的不同，以SiO2系膜之層間膜31的膜厚和菲涅耳透鏡171之圖案的同心圓間隔及乾蝕刻深度來調整菲涅耳透鏡171之焦距。又，因實施形態7的光半導體裝置50中，保護膜81係存在於最上部，故能確保足夠的耐濕性。
習知的紅外線感測器係不使用紅外線集光透鏡或必需採用將外部透鏡組裝於外部封裝件的模組之形態。相異於此，由於實施形態7的光半導體裝置50係以具備有紅外線受光部152的光半導體裝置之晶圓製造步驟來形成菲涅耳透鏡171，所以比以往簡化了製造步驟，可減少零件數，可小型化。由於實施形態7的光半導體裝置50係以具備有紅外線受光部152的光半導體裝置之晶圓製造步驟來形成菲涅耳透鏡171，所以可省略將外部透鏡組裝於外部封裝件的步驟，而可削減製造步驟數。實施形態7 的光半導體裝置50係能夠藉由削減零件數及製造步驟數，而達成低成本化。更且，實施形態7的光半導體裝置50亦能夠藉由反射或吸收不必要的紅外線，而達成高敏感度化、低消耗電力化。
[實施形態8]
第24圖係顯示本發明之實施形態8的菲涅耳透鏡之上面形狀的示意圖，第25圖係顯示本發明之實施形態8的透鏡陣列之上面形狀的示意圖。第26圖係顯示本發明之實施形態8的光半導體裝置之上面的示意圖，第27圖係顯示第26圖的光半導體裝置之剖面結構的示意圖。第27圖係顯示以第26圖之A-A來切斷後的剖面結構之示意圖。實施形態8的光半導體裝置50係具備有正六角形之菲涅耳透鏡的太陽電池單元等的光半導體裝置之例。實施形態8的光半導體裝置50係具備：屬於半導體基板的太陽電池單元基板191；受光部192，係設置(形成)於太陽電池單元基板191，接受太陽光；SiO2系膜之層間膜31；菲涅耳透鏡193，係設置於層間膜31之表面；以及SiN膜之保護膜81，係覆蓋菲涅耳透鏡193。實施形態8的光半導體裝置50中，以使受光部192存在於正六角形的菲涅耳透鏡193之正下方之方式，將受光部192佈局於太陽電池單元基板191之表面的圖案。受光部192係累崩光二極體(APD)等的平面受光結構部。
菲涅耳透鏡193係上面之外周195的形狀 為正六角形，且具備有形成為同心圓狀的四個凸部194a、194b、194c、194d。凸部194a、194b、194c、194d係與實施形態1的菲涅耳透鏡61之凸部62a、62b、62c、62d同樣。實施形態8的光半導體裝置50之製造步驟，係與在實施形態1中所說明的製造步驟同樣。
說明實施形態8的光半導體裝置50之作用及功效。就太陽電池而言，有必要提高太陽光之入射效率。但是，實施形態1所示的菲涅耳透鏡之基板結構為同心環狀結構，如此的同心環狀之上面形狀無法填滿平面。對此，將菲涅耳透鏡應用於太陽電池之受光用的光半導體裝置的太陽電池單元時，如第24圖般地，將菲涅耳透鏡之單位形狀形成為正六角形，且如第25圖般地，將此正六角形之菲涅耳透鏡193佈局成具有段差的陣列形狀，藉此可最大限度地活用太陽電池單元之面積，亦即可提高包含受光部192及菲涅耳透鏡193的基本結構對太陽電池單元之面積的充填比例(充填率)。第25圖所示的透鏡陣列196係配置有13個菲涅耳透鏡193之例。
如第27圖所示，太陽光174a係入射至經平坦化後的SiN膜之保護膜81，而藉由形成於保護膜81之下部的SiO2系膜之層間膜31的菲涅耳透鏡193所聚焦後的太陽光174b則由受光部192所接受。由於保護膜81之折射率為1.9，層間膜31之折射率為1.4，所以比起習知之不使用透鏡的太陽電池單元，實施形態8的光半導體裝置50係能夠聚焦更廣角度的太陽光。又，實施形態8的光 半導體裝置50中，依太陽光174a、174b之波長的不同，以SiO2系膜之層間膜31的膜厚和菲涅耳透鏡193之圖案的同心圓間隔及乾蝕刻深度，調整菲涅耳透鏡193之焦距，選擇性地使太陽光中之波長1.1μm的光聚焦於太陽電池單元半導體基板，藉此能提高太陽電池單元之太陽光吸收效率。又，因實施形態8的光半導體裝置50中，保護膜81係存在於最上部，故能確保足夠的耐濕性。
再者，雖然已針對太陽電池單元說明了具備有正六角形之菲涅耳透鏡陣列的光半導體裝置50之例，但是不限於接受太陽光的受光部192，亦可將複數個菲涅耳透鏡以陣列狀來佈局於接受其他之光信號、紅外線信號等的受光部。在正六角形的菲涅耳透鏡193之正下方配置接受光信號、紅外線信號等的受光部的光半導體裝置50，亦能達成與實施形態8的光半導體裝置50同等的作用。
實施形態8的光半導體裝置50藉由以太陽電池單元之晶圓製造步驟來形成正六角形的菲涅耳透鏡193，而可有效地活用太陽電池單元表面之受光面積。若將本實施形態8的透鏡配置構成應用於太陽電池，則能夠增大單位面積的太陽光之集光率，而能夠提高太陽電池之電力轉換效率。再者，在正六角形的菲涅耳透鏡193之正下方配置複數個接受光信號、紅外線信號等的受光部或/及發出光信號、紅外線信號等的發光部的光半導體裝置50，可提高包含受光部及菲涅耳透鏡的基本結構、包含發光部及菲涅耳透鏡的基本結構之充填比例(充填率)，而可減小光 半導體裝置之面積。
再者，本發明係能夠在不矛盾的範圍內，自由地組合各實施形態，適當化、變化、省略各實施形態。

Claims (16)

  1. 一種光半導體裝置，係具備：半導體基板；光通信部，係設置於前述半導體基板，且為接受光信號的受光部或發出前述光信號的發光部；層間膜，係覆蓋前述半導體基板及前述光通信部；菲涅耳透鏡，係設置於前述層間膜之遠離前述半導體基板之側且經平坦化後的面，供前述光信號通過；以及保護膜，係覆蓋前述菲涅耳透鏡及前述層間膜，且折射率比前述層間膜更大，而遠離前述層間膜之側的面經平坦化；設置有前述菲涅耳透鏡的前述層間膜之膜厚，係依前述光信號之波長和前述菲涅耳透鏡之焦距而調整。
  2. 一種光半導體裝置，係具備：半導體基板；受光部，係設置於前述半導體基板，且係接受光信號；發光部，係設置於前述半導體基板，且係發出前述光信號；層間膜，係覆蓋前述半導體基板、前述受光部及前述發光部；菲涅耳透鏡，係設置於前述層間膜之遠離前述半 導體基板之側且經平坦化後的面，供前述光信號通過；以及保護膜，係覆蓋前述菲涅耳透鏡及前述層間膜，且折射率比前述層間膜更大，而遠離前述層間膜之側的面經平坦化；設置有前述菲涅耳透鏡的前述層間膜之膜厚，係依前述光信號之波長和前述菲涅耳透鏡之焦距而調整。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之光半導體裝置，係具備設置於前述半導體基板的積體電路；前述光通信部為前述受光部；前述積體電路係將由前述受光部所接受的前述光信號轉換成電信號以進行信號處理。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之光半導體裝置，係具備設置於前述半導體基板的積體電路；前述光通信部係前述發光部；前述積體電路係產生成為由前述發光部發出的前述光信號之基礎的電信號。
  5. 如申請專利範圍第2項所述之光半導體裝置，係具備設置於前述半導體基板的積體電路；前述積體電路係將由前述受光部所接受的前述光信號轉換成電信號以進行信號處理，並且產生成為由前述發光部發出的前述光信號之基礎的電信號。
  6. 一種光半導體裝置，係具備： 二個屬於申請專利範圍第5項所述之光半導體裝置之第一光收發器及第二光收發器；且係配置成前述第一光收發器之前述受光部與前述第二光收發器之前述發光部相對向，且前述第一光收發器之前述發光部與前述第二光收發器之前述受光部相對向；在前述第一光收發器與前述第二光收發器之間進行前述光信號之通信。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之光半導體裝置，其中，前述第一光收發器係具備外部系統光通信部，該外部系統光通信部係接受來自前述第二光收發器以外之外部系統的光信號的外部系統受光部或是對前述外部系統發出光信號的外部系統發光部。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之光半導體裝置，其中，前述第一光收發器係具備：接受來自前述第二光收發器以外之外部系統的光信號的外部系統受光部、以及對前述外部系統發出光信號的外部系統發光部。
  9. 一種光半導體裝置，係具備：光發送器，係同時或區隔時間地發出包含複數個波長的光信號；以及光接收器，係配置成與前述光發送器相對向，且相應於前述波長來接受來自前述光發送器之前述光信號；前述光發送器係具備： 第一半導體基板；發光部，係設置於前述第一半導體基板，且係發出前述光信號；第一層間膜，係覆蓋前述第一半導體基板及前述發光部；單側菲涅耳透鏡，係形成於前述第一層間膜之遠離前述第一半導體基板之側且經平坦化後的面，供前述光信號通過；以及第一保護膜，係覆蓋前述單側菲涅耳透鏡及前述第一層間膜，且折射率比前述第一層間膜更大，而遠離前述第一層間膜之側的面經平坦化；前述光接收器係具備：第二半導體基板；複數個受光部，係設置於前述第二半導體基板，接受前述光發送器之以前述單側菲涅耳透鏡相應於各波長而改變折射角度的前述光信號；以及第二層間膜，係覆蓋前述第二半導體基板及複數個前述受光部。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之光半導體裝置，其中，前述光通信部係接受紅外線之前述光信號的前述受光部；前述菲涅耳透鏡係由多晶矽或非晶矽所形成。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之光半導體裝置，係具備設置於前述半導體基板的積體電路；前述積體電路係將由前述受光部所接受的前述光 信號轉換成電信號以進行信號處理。
  12. 如申請專利範圍第1項、第3項、第10項及第11項中任一項所述之光半導體裝置，其中，前述光通信部係接受前述光信號的前述受光部；於前述半導體基板設置有複數個前述受光部；依每一前述受光部而設置的前述菲涅耳透鏡之平行於前述半導體基板的面之外周為正六角形；鄰接的前述菲涅耳透鏡係配置成前述外周相接。
  13. 如申請專利範圍第2項或第5項所述之光半導體裝置，其中，於前述半導體基板設置有複數個前述受光部；依每一前述受光部而設置的前述菲涅耳透鏡之平行於前述半導體基板的面之外周為正六角形；鄰接的前述菲涅耳透鏡係配置成前述外周相接。
  14. 如申請專利範圍第7項所述之光半導體裝置，其中，前述外部系統光通信部為前述外部系統受光部；於前述半導體基板設置有複數個前述外部系統受光部；依每一前述外部系統受光部而設置的前述菲涅耳透鏡之平行於前述半導體基板的面之外周為正六角形；鄰接的前述菲涅耳透鏡係配置成前述外周相接。
  15. 如申請專利範圍第8項所述之光半導體裝置，其中，於前述半導體基板設置有複數個前述外部系統受光部；依每一前述外部系統受光部而設置的前述菲涅耳透鏡之平行於前述半導體基板的面之外周為正六角形； 鄰接的前述菲涅耳透鏡係配置成前述外周相。
  16. 一種光半導體裝置，係具備：半導體基板；受光部，係設置於前述半導體基板，且係接受太陽光；層間膜，係覆蓋前述半導體基板及前述受光部；菲涅耳透鏡，係設置於前述層間膜之遠離前述半導體基板之側且經平坦化後的面，供前述太陽光通過；以及保護膜，係覆蓋前述菲涅耳透鏡及前述層間膜，且折射率比前述層間膜更大，而遠離前述層間膜之側的面經平坦化；設置有前述菲涅耳透鏡的前述層間膜之膜厚，係依前述菲涅耳透鏡之焦距而調整，以使前述太陽光之波長1.1μm的光選擇性地聚焦於前述受光部。
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